Usinas solares térmicas. Lagoas Solares. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
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Nem os espelhos de foco nem as células solares podem gerar energia à noite. Para isso, a energia solar acumulada durante o dia deve ser armazenada em tanques de armazenamento de calor. Este processo ocorre naturalmente nas chamadas lagoas solares.
As lagoas solares têm uma alta concentração de sal nas camadas de água do fundo, uma camada média não convectiva de água na qual a concentração de sal aumenta com a profundidade e uma camada convectiva com baixa concentração de sal na superfície. A luz do sol incide na superfície da lagoa e o calor é retido nas camadas inferiores da água devido à alta concentração de sal. A água de alta salinidade, aquecida pela energia solar absorvida pelo fundo da lagoa, não pode subir devido à sua alta densidade. Ele permanece no fundo da lagoa, aquecendo gradualmente até quase ferver (enquanto as camadas superiores de água permanecem relativamente frias).
A "salmoura" de fundo quente é usada dia ou noite como fonte de calor, graças à qual uma turbina especial de refrigeração orgânica pode gerar eletricidade. A camada intermediária da lagoa solar atua como isolante térmico, evitando a convecção e a perda de calor do fundo para a superfície. A diferença de temperatura entre o fundo e a superfície da água do tanque é suficiente para acionar o gerador. O refrigerante, passado pelos canos através da camada inferior de água, é alimentado ainda mais no sistema fechado de Rankin, no qual uma turbina gira para produzir eletricidade.
1 - alta concentração de sal, 3 - camada intermediária, 3 - baixa concentração de sal
Este tipo de usina foi testado em Beit Ha'Arava (Israel), perto do Mar Morto. Israel é o líder mundial no uso de lagoas solares de sal. Ormat Systems Inc. instalou vários desses sistemas no Mar Morto.
A maior delas tem capacidade de 5 MW. Uma lagoa de 20 hectares converte luz solar em eletricidade com uma eficiência de cerca de 1%. As camadas inferiores de água em uma lagoa têm uma densidade muito alta. Embora a lagoa solar tenha operado com sucesso por vários anos, ela teve que ser fechada em 1989 por razões econômicas. A maior lagoa solar dos EUA tem 0,3 hectares em El Paso, Texas. Ele opera sem parar desde sua inauguração em 1986. Ele alimenta um turbogerador Rankine de 70 quilowatts e uma usina de dessalinização de 20 litros por dia, além de fornecer calor de processo para uma fábrica de alimentos próxima.
A temperatura da água na lagoa pode atingir e ser mantida acima de 90°C na zona de armazenamento de calor. Durante o pico de energia, esta usina é capaz de produzir mais de 100 kWh de eletricidade por hora, e o volume de água potável dessalinizada é superior a 350000 litros por dia. Em cinco anos de operação, a usina gerou mais de 50000 kWh de eletricidade.
Uma lagoa solar artificial de sal foi construída em Miamisburg (Ohio, EUA). É utilizado para aquecer a piscina municipal e a casa de férias.
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Todos os três desenvolvimentos são um pouco diferentes uns dos outros, mas todos eles usam a principal característica do grafeno - a capacidade de converter quanta de luz com diferentes energias em impulsos elétricos. Os fotodetectores tradicionais funcionam devido ao fato de que um quantum de luz transfere energia para um portador de carga suficiente para superar uma barreira de potencial, uma lacuna entre os níveis de energia em um semicondutor, mas o grafeno não é um semicondutor "completo" e não possui um chamado band gap.
Devido à ausência de band gap, detectores de grafeno conseguiram registrar (no caso do desenvolvimento de um grupo da Universidade Chinesa de Hong Kong) quanta de luz na faixa do infravermelho médio, com comprimento de onda de 1,55 a 2,75 micrômetros . Os autores afirmam que seu detector é capaz de operar em temperatura ambiente, embora análogos de germânio com sensibilidade na mesma faixa necessitem de resfriamento com nitrogênio líquido. Como explica a Nature News, operar à temperatura ambiente pode facilitar a identificação de produtos químicos na atmosfera e tornar os estudos bioquímicos mais acessíveis para fins de diagnóstico.
Um membro do grupo americano, Dirk Englund, físico do Massachusetts Institute of Technology, também enfatizou que a taxa de transferência de dados por meio de fotodetectores baseados em grafeno era de 12 gigabits por segundo, ou seja, acabou sendo comparável aos dispositivos semicondutores convencionais . De acordo com suas previsões, a rápida transição para o grafeno ocorrerá quando cientistas e tecnólogos aprenderem a sintetizar esse material bidimensional em quantidades industriais com qualidade consistentemente alta: hoje esse é o principal obstáculo para a eletrônica do grafeno.
A ausência de band gap, explica um dos cientistas que criaram os novos detectores, Thomas Müller, do Instituto de Tecnologia de Viena, o tornou um material ideal para um dispositivo que converte pulsos infravermelhos em elétricos.
Muller explicou (e essas explicações são verdadeiras para todos os três dispositivos descritos na Nature Photonics) que o grafeno promete ser mais barato que o germânio tradicional, e as operações com grafeno já foram suficientemente desenvolvidas em nível tecnológico. O principal problema que impedia a criação de fotodetectores de grafeno anteriormente era a transparência do material: o grafeno, que transmite luz e radiação infravermelha, era pouco adequado para um dispositivo cuja ação, por definição, está associada à absorção de radiação. As primeiras amostras de detectores obtidas em 2009 e depois descritas na Nature Nanotechnology tinham eficiência muito baixa devido à sua transparência, sendo impossível falar sobre a aplicação prática de tais dispositivos. O problema só agora foi resolvido: a corrente emitida pelos detectores durante a iluminação ainda não atingiu o valor típico dos dispositivos de germânio, mas já superou os resultados de 50 em mais de 2009 vezes. De acordo com todos os desenvolvedores, a lacuna será fechada em breve; além disso, os novos detectores já superaram o germânio em outros parâmetros.
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